无线传感器网络能量高效分簇拓扑控制研究

论文摘要

无线传感器网络WSNs(Wireless Sensor Networks)是近些年来迅速发展的一种新型信息感知和获取方式,已经广泛的应用于环境监测、军事侦查、医疗诊断以及物联网等领域。拓扑控制是无线传感器网络中一项关键技术,它通过改善网络拓扑结构为其它网络技术和应用提供基础平台,从而提高网络性能。作为一种能量受限且工作环境复杂的网络,能量利用效率一直是无线传感器网络面临的最大问题。网络拓扑控制从优化网络的基础结构出发,从而对网络的数据收集和路由、节点管理与调度等产生积极影响,对于降低和均衡网络能耗、延长网络生命周期、提高网络的能量利用效率具有重要意义。基于层次型拓扑控制的分簇拓扑网络通过簇头节点对簇成员节点的感知数据进行融合和转发,能有效地简化网络操作与信息的获取,降低无线通讯的能量开销。相对于平面拓扑控制,层次型分簇拓扑更符合无线传感器网络基于数据的路由需求,特别是针对网络中大量存在冗余数据这一特点,具有更高的能量效率和更好的扩展性,也更适合于管理大规模网络。本文针对无线传感器网络基于分簇的拓扑控制的节能优化方法进行了研究,以提高网络的能量利用效率为目标,主要工作包括以下几个方面:(1)针对现有分簇拓扑控制中簇头轮换策略存在的局限性,论文分别分析了目前常用的基于时间驱动和基于能量驱动的簇头轮换策略,通过分析比较二者在网络运行阶段的能量使用效率,提出了一种混合驱动簇头轮换策略。混合驱动簇头轮换策略能避免单纯使用时间驱动轮换和能量驱动轮换带来的系统帧头消耗过多和簇头陷入频繁轮换的缺陷,大幅提高网络的能量使用效率,延长网络的生存时间。(2)针对分簇拓扑控制中分簇规模控制问题,从能量消耗最优以及分簇覆盖两个方面进行了研究。首先从能量消耗最优角度,推导了基于单跳通信和多跳通信的分簇网络的最优簇规模估算方法,并对结论进行分析,得出网络最优分簇与网络参数的关系;其次从分簇对网络的覆盖和连通的角度,推导了保持最优覆盖时的分簇规模控制结论。最后将上述方法进行比较,得出在节点稀疏布置网络中基于覆盖的分簇控制能取得更高能量效率的结论。上述结论对于分簇拓扑协议中簇规模控制具有很重要的指导意义。(3)针对基于多跳数据路由的分簇拓扑网络中存在的能量漏洞问题,提出一种能量最优的非均匀分簇计算方法。通过对簇头能量消耗分析的研究,文章证明当网络节点平均能量消耗最低的时候,最优分簇竞争半径并非随着其到汇聚节点的距离减小而减小。在此基础上,给出一种与现有非均匀分簇协议所不同的网络非均匀簇划分算法,实验证明了这一旨在减轻网络能量漏洞问题、提高其能量效率的非均匀分簇协议具有更高的能量效率。(4)在节点均匀分布的传感网络中,由于多跳通信的固有特点,采用非均匀分簇只能减轻影响而不能消除能量漏洞问题。针对这一问题,在本文所提出的能量消耗最优化非均匀分簇的基础上提出一种节点非均匀分布算法,依据分簇节点的平均能耗相互关系,计算到汇聚节点不同距离的网络区域的节点分布密度,从根本上解决能量漏洞问题。理论分析和实验结果证明,与现有的非均匀节点分布策略比较,本文提出的方法能有效提高网络的能量效率、延长网络生存时间,同时有效的减小网络的布置成本。(5)无线传感器网络拓扑控制和数据路由是紧密联系在一起的,好的路由策略能弥补网络拓扑结构的一些固有缺陷。针对分簇网络能量消耗不均衡问题,本文设计能量高效的层次型路由协议。对于小规模无线传感器网络,提出一能量均衡的数据路由协议,该协议旨在以较低的系统开销来取得网络节点间的能量消耗均匀,而不追求网络能量消耗最低;对于大规模无线传感器网络,文章引入路由矩阵,通过线性优化方法寻求传输矩阵的最优解,使得各簇头节点更加合理的分担中继任务,从而达到整个网络的负载均衡、优化网络能量效率的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 无线传感器网络体系结构与特点
• 1.1.2 无线传感器节点特性与通信模型
• 1.1.3 无线传感器网络研究现状
• 1.2 高能效分簇拓扑控制选题背景和意义
• 1.2.1 拓扑控制的提出
• 1.2.2 拓扑控制的研究对象与意义
• 1.2.3 分簇拓扑控制的选题
• 1.3 分簇拓扑控制研究现状
• 1.3.1 分簇拓扑控制研究的关键技术
• 1.3.2 分簇拓扑存在的问题
• 1.3.3 分簇拓扑控制研究成果
• 1.4 课题研究内容及章节安排
• 第二章 能量高效簇头混合轮换协议研究
• 2.1 研究背景与相关工作
• 2.2 网络模型与能耗分析
• 2.2.1 网络模型与假设
• 2.2.2 簇头轮换算法能量效率评价标准
• 2.2.3 基于竞争的簇选举能耗计算
• 2.3 能量-时间驱动簇头混合轮换算法
• 2.3.1 基于时间驱动簇头轮换分析
• 2.3.2 基于能量驱动簇头轮换分析
• 2.3.3 能量-时间驱动的簇头混合轮换分析
• 2.3.4 能量-时间混合簇头轮换算法描述
• 2.4 相关参数计算与性能评估
• 2.4.1 门限参数c和最优k计算
• 2.4.2 算法性能评估
• 2.5 本章小结
• 第三章 簇规模优化与控制策略研究
• 3.1 相关工作与网络模型
• 3.1.1 相关工作
• 3.1.2 网络模型
• 3.2 基于能量的最优分簇控制研究
• 3.2.1 单跳通信分簇的规模控制
• 3.2.2 多跳通信分簇的规模控制
• 3.3 基于覆盖的分簇控制研究
• 3.4 算法结论分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 非均匀分簇协议及节点布置策略研究
• 4.1 相关工作
• 4.1.1 能量漏洞问题研究
• 4.1.2 能量漏洞问题研究现状
• 4.2 能量最小非均匀簇计算
• 4.2.1 网络模型与假设
• 4.2.2 能量消耗计算
• 4.2.3 能量消耗分析
• 4.2.4 非均匀簇计算
• 4.3 能量最小非均匀分簇协议
• 4.3.1 MECUC分簇算法
• 4.3.2 MECUC性能分析
• 4.4 基于最小能量分簇的非均匀节点分布协议
• 4.4.1 基于Corona非均匀分簇模型
• 4.4.2 非均节点分布策略
• 4.4.3 协议性能分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于能量均衡的分簇数据路由协议
• 5.1 相关工作
• 5.1.1 分簇数据路由的研究现状
• 5.1.2 分簇数据路由的基本形式
• 5.2 能量均衡数据路由
• 5.2.1 路由模型与相关参数
• 5.2.2 能量均匀数据路由算法
• 5.2.3 协议性能分析
• 5.3 全中继数据路由算法
• 5.3.1 簇头节点间全中继路由模型
• 5.3.2 全中继路由优化设计
• 5.3.3 协议性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 实验验证
• 6.1 实验测试平台简介
• 6.1.1 基于CC2430的传感节点
• 6.1.2 开源操作系统TinyOS简介
• 6.2 高能效分簇协议验证
• 6.2.1 网络组成结构
• 6.2.2 网络能效性能测试
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究展望
• 参考 文献
• 攻读博士学位期间发表论文
• 致谢